PUSTEKDATA - LAPAN
Proof of Concept ESTIMASI KINERJA SPEKTRORADIOMETRIS KAMERA INDUSTRI JAI LQ-200CL PADA PENGGUNAAN LUAR RUANGAN DENGAN SUMBER ILUMINASI MATAHARI
Ahmad Maryanto, dkk Maret 2015
Pengantar Kapustekdata
Abstrak
Kamera industry pada dasarnya adalah kamera yang diperuntukkan bagi penggunaan dalam ruangan (in-door). Agar tetap memberikan hasil yang optimal, penggunaan kamera in-door untuk keperluan luar ruangan (out-door) memerlukan penyesuaian/pengaturan parameter akuisisi yang tepat, karena selain sumber iluminasinya yang berbeda, varian obyek yang diliput juga lebih beragam dengan jangkau dinamik obyek tampak (scene) yang juga lebih lebar. Studi ini mempelajari kinerja tanggap daya cahaya kamera industry LQ-200CL dari JAI melalui estimasi simulatif signal keluaran detector sebagai fungsi tingkat iluminasi matahari, yang diwakili dengan sudut zenith matahari atau jam matahari setempat, untuk tiga contoh obyek penutup lahan berbeda yaitu rumput hijau (Green Grass/GG) rumput kering (Dry Grass/DG) dan tanah kekuningan (Light Yellowish Brown Loamy Sand/YS) pada beberapa scenario pengaturan parameter kamera. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan waktu integrasi 2ms dan bukaan diafragma 5.6, kamera dapat dioperasikan hingga jam 12 siang asal signal pada kanal merah dan merah-infra dekat (NIR) direduksi hingga setengahnya atau lebih rendah lagi ( 50%) agar keluarannya tidak melebihi batas atas jangkau kerja kamera. Di lain pihak, untuk memperoleh tingkat keluaran kanal biru yang mencukupi, signal pada kanal tersebut dapat diperkuat (amplifikasi) hingga 150% agar tidak terlalu mepet dengan batas bawah jangkau kerja kamera.
1
Pendahuluan
Latar Belakang Kamera JAI LQ-200CL adalah kamera 4-pita spectrum Vis-NIR yang pada dasarnya dirancang untuk keperluan industry. Karena rentang kerja spektrumnya yang menjangkau hingga daerah merah-infra dekat (NIR), maka selain industry manufaktur, kamera ini juga dapat digunakan pada industry pengolahan makanan/minuman atau produk pertanian yang pada umumnya memerlukan piranti yang peka terhadap cahaya merah-infra dekat. Dalam penerapannya, pada umumnya kamera digunakan sebagai bagian dari mekanisme control mutu. Kamera dipasang di atas conveyor belt untuk memindai produk yang lewat didepannya, menandai produk-produk yang tidak memenuhi baku mutu, baik melalui analisis geometri (bentuk) maupun analisis spektrometri (warna) untuk kemudian dilakukan isolasi dan penyortiran produk cacat tersebut dari rantai proses yang sedang berjalan. Karena kemampuan analisis geometric dan spektrometriknya itu, maka kamera sangat berpeluang untuk diaplikasikan pada system penginderaan jauh kebumian, baik penginderaan jauh udara (foto udara) maupun penginderaan jauh antariksa (foto satelit). Sungguhpun demikian, penggunaan kamera industry untuk aplikasi luar ruangan perlu didahului dengan kajian menyeluruh dan mendalam akan kemampuan adaptasinya terhadap lingkungan kerja yang berbeda dari rancangan awal peruntukannya. Di lingkungan industry, kamera digunakan untuk mengidentifikasi obyek yang pada umumnya sudah terdefinisi dan seragam karakteristiknya, geometric maupun spektrometrik, sehingga proses pengambilan gambar dapat dilakukan pada kondisi pencahayaan yang sederhana dan tidak terlalu lebar sebaran spektrumnya. Keadaan ini jauh berbeda dengan pemotretan luar ruangan, terlebih lagi pemotretan untuk penginderaan jauh. Obyek penutup lahan sangat beragam, geometric maupun spektroradiometrik, mulai dari obyek alamiah hayati/non-hayati hingga obyek buatan, dari pemantul baur hingga pemantul specular yang sangat menyilaukan. Matahari sebagai sumber iluminasi alamiah juga memiliki karakteristik yang jauh berbeda dengan sumber-sumber optis buatan yang biasanya dipakai pada pemotretan dalam ruang. Spectrum eksitan matahari membentang cukup lebar dari daerah biru (~…nm) hingga merah-infra menengah? (~…nm) dengan total rapat arus energy pada permukaan atas atmosfer sebesar …W/m2/nm. Dengan demikian pada aplikasi penginderaan jauh luar ruangan, kamera akan dihadapkan pada obyek yang sangat beragam dengan rentang dinamik obyek tampak (scene) yang sangat lebar, bahkan mungkin lebih lebar dari jangkau dinamik kamera itu sendiri. Studi ini akan mempelajari kinerja tanggap daya cahaya kamera industry LQ200CL dari JAI pada aplikasi luar ruangan melalui estimasi simulatif signal
2
keluaran detector sebagai fungsi tingkat iluminasi matahari, yang diwakili dengan sudut zenith matahari atau jam matahari setempat, untuk tiga contoh obyek penutup lahan berbeda yaitu rumput hijau (Green Grass/GG) rumput kering (Dry Grass/DG) dan tanah kekuningan (Light Yellowish Brown Loamy Sand/YS) pada beberapa scenario pengaturan parameter kamera yang dicobakan. Studi dimaksudkan untuk memberi dasar masukan yang cukup bagi kepentingan adaptasi/pengaturan parameter kamera LQ-200CL dalam penggunaannya sebagai sensor penginderaan jauh udara..
Rumusan Masalah - Bagaimana rumusan analitis yang menghubungkan signal keluaran kamera dengan karakteristik obyek dan karakteristik illuminator. - Seberapa besar pengaruh ketinggian matahari atau waktu matahari local pada saat pemotretan dilakukan terhadap keluaan kamera untuk 3 contoh obyek penutup lahan yang dianggap muwakil (representative), pada beberapa skema pengaturan parameter kamera yang dicobakan. - Kombinasi pengaturan parameter kamera seperti apa yang dapat diterapkan agar keluaran kamera pada tiap-tiap kanal/pita spectrum tetap optimal.
Tujuan dan Sasaran - Tujuan: mempelajari perilaku keluaran kamera LQ-200CL pada tiap-tiap pita spectrum yang ada terhadap perubahan tingkat iluminasi matahari dengan 3 contoh obyek penutup lahan yang berbeda - Sasaran: tersedianya bahan masukan yang memadai dalam mensiasati penggunaan kamera industry LQ-200CL dari JAI (in door camera) untuk aplikasi penginderaan jauh luar ruangan agar tetap memberikan data/citra yang optimal.
Metodologi
Metode - Merumuskan hubungan analitis keluaran detector (signal/tegangan listrik terbangkit) dengan karakteristik obyek dan tingkat pencahayaan yang menerangi obyek tersebut. Pendekatan/andaian: obyek luas, perlakuan diperuntukkan bagi piksel sumbu (on axis pixel), mengabaikan radiansi langit (upward-downward sky radiation), mengabaikan kilatan oleh selongsong lensa/kamera
3
ruang obyek (o) Obyek, ρ
Sinyal listrik analog (Vdet)
ruang citra (i)
pusat perspektif
keluaran (output), DN
sinyal optis polikromatik dari obyek, Lo
4xAMP-ADC (penguatan dan kuantisasi)
Tu
4xCCD (konversi optis-elektris)
Sistem lensa, To
Tθz θz
prisma dikroik T1 (separasi dan seleksi warna)
cahaya matahari, E0
bidang citra/bidang pendeteksian, Ei, Rdet
1. Signal terbangkit pada keluaran detector (konversi rapat arus energy radian pada bidang citra (Ei) menjadi tegangan terbangkit (Vdet) oleh sel-sel detector) [Ref. …]: 𝑉𝑑𝑒𝑡 = 𝐸𝑖 𝑡𝑖𝑛𝑡 𝑅𝑑𝑒𝑡 (1) tint = waktu integrasi, Rdet = responsifitas detektor 2. Transfer energy radian dari obyek ke bidang citra (persamaan kamera). Pendekatan/andaian: obyek sangat jauh sehingga bayangan jatuh tepat pada bidang fokus, radiansi langit ke arah atas (upward sky radiation) diabaikan, radiansi oleh kilatan di dalam kamera dan lensa (glare/flare) diabaikan [Ref. …]: 𝐸𝑖 = 𝜋𝐿𝑜 𝑇𝑢 𝑇𝑜 𝑇1⁄4𝑁 2
(2)
Lo = radiansi obyek, To = transmitansi system optis (lensa), Tu = transmitansi medium antara (udara/atmosfer), T1 = transmittansi tapis, N = f/D adalah bilangan focus (bukaan diafragma) dengan f = jarak focus dan D = diameter lensa 3. Transfer energy oleh permukaan obyek (transformasi energy dari rapat arus enegi datang (E) menjadi kecerahan/radiansi obyek (Lo)). Pendekatan/andaian: radiansi langit ke arah bawah ataupun cahaya dari
4
lingkungan (stray light) diabaikan, permukaan obyek dianggap pemantul baur sempurna (Lambertian reflector) [Ref. …] 𝐸
𝐿𝑜 = 𝜌 𝜋
(3)
dengan 𝐸 = 𝐸0 cos 𝜃𝑧 𝑇𝜃𝑧 adalah iradiansi matahari yang jatuh pada permukaan obyek, dengan E0 = iradiansi matahari pada top of atmosphere (toa), z = sudut zenit matahari, dan Tz = transmitansi atmosfer pada panjang lintasan optis yang dilalui. Sudut zenit matahari adalah sudut yang terbentuk antara garis normal (sumbu vertikal) dengan posisi matahari pada saat dilakukan pengukuran, terhubung dengan waktu/jam matahari setempat (H), koordinat lokasi tempat tersebut (,) dan deklinasi matahari pada saat pengkuran dilakukan () oleh: cos 𝜃𝑧 = sin sin 𝛿 + cos cos 𝛿 cos 𝐻 dengan H = - s, di mana s adalah bujur lokasi matahari pada saat pengukuran dilakukan, sedangkan transmitansi atmosfer (Tz) ditentukan oleh besaran ekstinsi ketebalan optis (’ext) yang nilainya bergantung pada tebal atmosfer yang dilalui. 𝑇𝜃𝑧 = exp[−𝜏 ′ 𝑒𝑥𝑡 𝑠𝑒𝑐 𝜃𝑧 ] 4. Rumusan (penyederhanaan) hubungan signal terbangkit dengan karakteristik obyek, sumber iluminasi dan karakteristik kamera dapat dituliskan menjadi: 𝑉𝑑𝑒𝑡 =
𝐸0 cos 𝜃𝑧 exp[−𝜏′𝑒𝑥𝑡 sec 𝜃𝑧 ] 4𝑁 2
𝜌𝑇𝑢 𝑇𝑜 𝑇1 𝑡𝑖𝑛𝑡 𝑅𝑑𝑒𝑡
(4)
E0, Tz, , Tu, To, T1, Rdet adalah besaran fisik fungsi panjang gelombang, karena itu untuk rentang panjang gelombang tertentu, nilainya harus dihitung secara efektif dengan memasukkan keseluruhan nilai dari setiap komponen panjang gelombang yang ada di dalam pita spectrum tersebut, dapat didekati secara numeric menggunakan aturan trapezoid. -
-
Membuat simulasi signal keluaran detector sebagai fungsi tingkat iluminasi matahari (diwakili dengan waktu matahari setempat atau sudut zenith matahari) Mengevaluasi grafik yang diperoleh dan mengidentifikasi variable-variabel penentu yang bisa diatur untuk memperoleh signal keluaran yang optimal.
5
Alat/Bahan - PC dan perangkat lunak spread sheet - Onscreen digitizer (untuk digitasi data-data grafis yang diperlukan)
Data - Data transmitans pita spectrum kamera [Ref. …]
-
Data teknis/spesifikasi detector PerkinElmer RL2048 [Ref. ...] o Responsifitas
6
o
-
Tabel parameter kinerja kelistrikan
Data teknis/spesifikasi jangkau kerja operasional detector [Ref. ...]
7
-
Data irradiansi matahari [Ref. …]
-
Data spectrum reflektans obyek contoh (rumput hijau/GG, rumput kering/DG, tanah kekuningan/YS) [Ref. …] spektrum relektans obyek 70
reflektans (%)
60 50 40 30 GG DG YS
20 10 0 400
500
600
700
800
900
1000
panjang gelombang (nm)
-
Data parameter atmosfer model (ekstinsi optis untuk ketebalan (0-2) km dan (0-∞) km dari Elterman, 1964) untuk menurunkan besaran transmitansi atmosfer [Ref. …]
8
Implementasi dan Hasil 1. Tabulasi parameter fisik obyek, kamera, sumber iluminasi, dan medium antara yang berkontribusi pada signal keluaran detector Besaran BandName LWL (nm) UWL (nm) BW (, nm) CWL (nm) T1 (%) E0 (W*m-2*nm-1) τ'ext (0-∞) ρGG (%) ρDG (%) ρYS (%) Rdet Tu (0-2km) To Vsat (mV) Vsat90 (mV) Vclip (mV)
Blu 392.00 487.00 95.00 439.50 43.35 170.32 0.5018 4.0551 19.5043 11.10 13.6389 0.7805 0.85 600 540 230
Grn 491.00 573.00 82.00 532.00 54.90 153.42 0.3463 8.3705 28.4088 21.79 19.0541 0.8251 0.85 600 540 230
Nilai Red 579.00 672.00 93.00 625.50 58.71 155.29 0.2776 6.4256 37.8654 32.27 23.8505 0.8022 0.85 600 540 230
Nir 762.00 912.00 150.00 837.00 39.57 157.37 0.1797 49.2475 55.8358 40.53 21.7959 0.8756 0.85 600 540 230
Catatan: LWL = lower wave length, UWL = upper wave lenth, BW = band width, Vsat = signal keluaran jenuh, Vsat90 = 90% signal keluaran jenuh, Vclip = batas atas signal operasional, T1 = transmitansi tapis dalam, Tu = transmitansi atmosfer, To = transmitansi system optis (lensa) 2. Estimasi signal keluaran pada tiap-tiap pita spectrum (biru, hijau, merah, nir) sebagai fungsi tingkat iluminai matahari untuk 3 contoh obyek penutup lahan: rumput hijau (GG), rumput kering (DG), dan tanah kekuningan (YS)
9
GRAFIK TEGANGAN TERBANGKIT vs SUDUT ZENIT MATAHARI PITA BIRU (BLU) KAMERA JAI LQ-200CL untuk 3 macam obyek pada 3 skenario bukaan kamera 6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
600.0
VGGBluN40t2
550.0
VGGBluN56t2
TeganganTerbangkit, Vdet (mV)
500.0 450.0
VGGBluN80t2
400.0
VDGBluN40t2
350.0
VDGBluN56t2
300.0
VDGBluN80t2
250.0
VYSBluN40t2
200.0
VYSBluN56t2
150.0
VYSBluN80t2
100.0
VCLIP
50.0 0.0 -90.0
VSAT90 -75.0
-60.0
-45.0
-30.0
-15.0
0.0
SudutZenitMatahari, θz (◦)
GRAFIK TEGANGAN TERBANGKIT vs SUDUT ZENIT MATAHARI PITA HIJAU (GRN) KAMERA JAI LQ-200CL untuk 3 macam obyek pada 3 skenario bukaan kamera 6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
600.0
VGGGrnN40t2
550.0
VGGGrnN56t2
TeganganTerbangkit, Vdet (mV)
500.0 450.0
VGGGrnN80t2
400.0
VDGGrnN40t2
350.0
VDGGrnN56t2
300.0
VDGGrnN80t2
250.0
VYSGrnN40t2
200.0
VYSGrnN56t2
150.0
VYSGrnN80t2
100.0
VCLIP
50.0 0.0 -90.0
VSAT90 -75.0
-60.0
-45.0
-30.0
-15.0
0.0
SudutZenitMatahari, θz (◦)
10
GRAFIK TEGANGAN TERBANGKIT vs SUDUT ZENIT MATAHARI PITA MERAH (RED) KAMERA JAI LQ-200CL untuk 3 macam obyek pada 3 skenario bukaan kamera 6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
600.0
VGGRedN40t2
550.0
VGGRedN56t2
TeganganTerbangkit, Vdet (mV)
500.0 450.0
VGGRedN80t2
400.0
VDGRedN40t2
350.0
VDGRedN56t2
300.0
VDGRedN80t2
250.0
VYSRedN40t2
200.0
VYSRedN56t2
150.0
VYSRedN80t2
100.0
VCLIP
50.0 0.0 -90.0
VSAT90 -75.0
-60.0
-45.0
-30.0
-15.0
0.0
SudutZenitMatahari, θz (◦)
GRAFIK TEGANGAN TERBANGKIT vs SUDUT ZENIT MATAHARI PITA MERAH INFRA DEKAT (NIR) KAMERA JAI LQ-200CL untuk 3 macam obyek pada 3 skenario bukaan kamera 6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
600.0
VGGNirN40t2
TeganganTerbangkit, Vdet (mV)
550.0
VGGNirN56t2
500.0
VGGNirN80t2
450.0 400.0
VDGNirN40t2
350.0
VDGNirN56t2
300.0
VDGNirN80t2
250.0
VYSNirN40t2
200.0
VYSNirN56t2
150.0
VYSNirN80t2
100.0
VCLIP
50.0 0.0 -90.0
VSAT90 -75.0
-60.0
-45.0
-30.0
-15.0
0.0
SudutZenitMatahari, θz (◦)
11
3. Analisis grafik o Untuk andaian waktu integrasi 2 ms pada kondisi matahari apapun (termasuk tengah hari), 3 contoh obyek yang difoto tidak akan mengakibatkan terjadinya signal berlebih (Vdet Vsat90, grafik signal keluaran tidak melampaui garis merah) jika bukaan diafragma diatur pada nilai N 5.6. o Namun demikian, pada N = 5.6 tersebut keluaran detector akan mulai melampaui batas operasional kamera (grafik signal keluaran melampaui garis pink, dalam format digital DN mencapai nilai tertinggi, yaitu 255 untuk pilihan kuantiasasi data 8 bit atau 1023 untuk pilihan kuantisasi data 10 bit) yang berarti data sudah tidak dapat digunakan lagi, pada pemotretan di atas jam 08.30 (lihat grafik untuk pita merah dan merah-infra dekat). o Untuk mengatasi keadaan tersebut, perlu dilakukan pelemahan/reduksi sinyal keluaran detector sebelum masuk ke piranti kuantisator (ADC) yang bisa dilakukkan secara elektronik dengan mengtur GAIN yang disediakan pada masing-masing kanal. o Selain gain elektronik, reduksi signal keluaran detector juga dimungkinkan dengan mengurangi waktu integrasi (tint) dan atau memperkecil bukaan diafragma (memperbesar bilangan focus, N). Pada kebanyakan kamera consumer (tidak pada kamera yang sedang dibicarakan), dua parameter ini berpengaruh secara skalatif dan sama pada keseluruhan pita keluaran, karena itu penetapannya harus benar-benar memperhatikan tanggap daya cahaya terrendah dan derau signal pada pita spectrum tersebut. o Pada pemotretan bergerak, durasi bukaan rana (lama waktu integrasi) berasosiasi dengan jarak spasial yang ditempuh oleh wahana, jarak ini merupakan batas atas resolusi spasial (tingkat kedetilan tertinggi) yang bisa dicpai oleh system. Sebagai cotoh pada kasus ini, jika kamera diterbangkan oleh satelit LEO dengan kecepatan di bumi VG = 7000 m/s, sementara waktu integrasi minimal yang bisa diterapkan adalah 2ms, maka resolusi spasial (GSD = GroundSamplingDistance) tertinggi yang bisa diharapkan dari system ini adalah 7000 (m/s) x 0.002 (s) = 14 m. Jika kamera dioperasikan dari pesawat terbang komersial (misalnya Boeing 747) dengan kecepatan jelajah 920 km/jam ( 255 m/s) maka GSD maksimum yang bisa diharapkan adalah 51cm Kesimpulan dan Tindak Lanjut
Kesimpulan 1. Dengan mengetahui informasi reflektansi obyek dan data-data teknis kamera secara lengkap dapat diperkirakan status signal keluaran yang akan diberikan oleh kamera, jenuh atau belum jenuh, untuk tiap scenario pengaturan parameter yang dipilih.
12
2. Dengan fasilitas pengaturan diafragma yang disediakan, dan kemampuan pengaturan waktu integrasi dan gain per kanal, kamera industry JAI LQ200CL sangat mungkin untuk digunakan di luar ruangan dengan sumber iluminasi matahari. 3. Untuk penggunaan sebagai kamera udara, kamera disarankan dioperasikan dengan bilangan fokus N 5.6, tint = 2ms (sama untuk semua kanal spectrum), gain 150% untuk kanal biru dan 50% untuk kanal merah dan merah-infra dekat.
Tindak Lanjut/Saran - Hasil-hasil kajian estimatif ini perlu dikonfirmasi dengan uji lapangan dengan obyek yang lebih beragam - Dalam penggunaanya sebagai instrumen/sensor penginderaan jauh, riwayat perubahan pengaturan parameter kamera harus selalu tercatat agar dalam proses analisis spektrometris data dapat menghasilkan informasi akhir yang sahih (valid).
oooOooo
13
